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第一节 背景知识第1页，本讲稿共27页 模型-是对实体的特征及变化规律的一种表示或抽象。即是把对象实体通过适当的过滤，用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。美籍奥地利物理学家韦斯科夫说：“什么叫模型？模型就是奥地利的火车时刻表。奥地利的火车经常晚点，于是乘客质问列车员：你们干吗还要列车时刻表？列车员回答说：“有了时刻表，你们才知道晚点呀！”显然，没有时刻表这个理想化的东西，铁路员工和乘客将无所遵循，这是理想模型的作用。第2页，本讲稿共27页第二章：原子的量子态：玻尔模型第一节 背景知识第二节 玻尔模型Automic Physics 原子物理学结束第3页，本讲稿共27页结束第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型目录nextback 卢瑟福模型卢瑟福模型把原子看成由带把原子看成由带正正电的原子核和围电的原子核和围绕核运动的一些电子组成，这个模型成功地解释绕核运动的一些电子组成，这个模型成功地解释了了粒子散射实验中粒子的大角度散射现象粒子散射实验中粒子的大角度散射现象可是当我们准备进入原子内部作进一步的考察时，可是当我们准备进入原子内部作进一步的考察时，却发现已经建立的物理规律却发现已经建立的物理规律无法解释原子的稳定性，无法解释原子的稳定性，同一性和再生性。同一性和再生性。光 谱 黑体辐射 光电效应第4页，本讲稿共27页结束目录nextback 玻尔（玻尔（N.BohrN.Bohr）基于卢瑟福原子模型，基于卢瑟福原子模型，原子原子光谱的实验规律光谱的实验规律以及普朗克的量子化概念，于以及普朗克的量子化概念，于19131913年提出了新的原子模型并成功地建立了氢原子年提出了新的原子模型并成功地建立了氢原子理论，解释了氢光谱的产生，理论，解释了氢光谱的产生，玻尔理论还可以准玻尔理论还可以准确地推出确地推出巴尔末公式巴尔末公式，并能算出里德伯常数的理论，并能算出里德伯常数的理论值。值。第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 不过当玻尔理论应用于复杂一些的原子时，就不过当玻尔理论应用于复杂一些的原子时，就与实验事实产生了较大的出入。这说明玻尔理论还与实验事实产生了较大的出入。这说明玻尔理论还很粗略，很粗略，直到直到19251925年量子力学建立以后，人们才建立年量子力学建立以后，人们才建立了较为完善的原子结构理论。了较为完善的原子结构理论。光 谱 黑体辐射 光电效应第5页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 十九世纪中期十九世纪中期，物理学理论在当时看来已经，物理学理论在当时看来已经发展到了相当完善的阶段，那时，一般的物理现发展到了相当完善的阶段，那时，一般的物理现象都可以用相应的理论加以解释。象都可以用相应的理论加以解释。物体的宏观机械运动，准确地遵从牛顿力学物体的宏观机械运动，准确地遵从牛顿力学规律；电磁现象被总结为麦克斯韦方程；热现规律；电磁现象被总结为麦克斯韦方程；热现象有完整的热力学及统计物理学；象有完整的热力学及统计物理学；物理学的上空可谓晴空万里，在这种情况下，有许多人物理学的上空可谓晴空万里，在这种情况下，有许多人认为物理学的基本规律已完全被揭示，剩下的工作只是认为物理学的基本规律已完全被揭示，剩下的工作只是把已有的规律应用到各种具体的问题上，进行一些计算把已有的规律应用到各种具体的问题上，进行一些计算而已。而已。光 谱 黑体辐射 光电效应第6页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 到了十九世纪末期到了十九世纪末期，物理学晴朗的天空出现了几，物理学晴朗的天空出现了几朵令人不安的朵令人不安的“乌云乌云”，在物理学中出现了一系列，在物理学中出现了一系列令人费解的实验现象。物理学遇到了严重的困难，令人费解的实验现象。物理学遇到了严重的困难，其中两朵最黑的云分别是：其中两朵最黑的云分别是：前者前者导致了相对论的诞生，导致了相对论的诞生，后者后者导致了量子论导致了量子论的诞生。的诞生。麦克尔逊麦克尔逊-莫雷实验莫雷实验和和黑体辐射实验黑体辐射实验结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第7页，本讲稿共27页“黑体”辐射第一节：背景知识第8页，本讲稿共27页 黑体辐射黑体辐射的经典解的经典解释释18961896年年,维恩维恩维恩维恩以经典以经典物理为基础物理为基础,认为能量的认为能量的吸收和发射都是连续的吸收和发射都是连续的,导出了一个公式导出了一个公式:这个公式在短波部分与实验结果符合的很好这个公式在短波部分与实验结果符合的很好,但但是长波部分理论的值偏低是长波部分理论的值偏低.第9页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 1900 1900年年瑞利瑞利瑞利瑞利-琼斯琼斯琼斯琼斯仍在经典仍在经典物理的基础上建立了另一个理物理的基础上建立了另一个理论导出了另一个公式论导出了另一个公式:它在长波部分和实验结果符合的较好它在长波部分和实验结果符合的较好,但在短波部但在短波部分给出了太大的数值分给出了太大的数值.就这样经典物理遭遇到难以克就这样经典物理遭遇到难以克服的困难服的困难.为了正确而全面地说明实验结果为了正确而全面地说明实验结果,找到自然规律找到自然规律,必须寻求新的理论必须寻求新的理论.结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第10页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 黑体辐射量子解释黑体辐射量子解释19001900年年1010月月1919日，德过物理日，德过物理学家学家普朗克（普朗克（普朗克（普朗克（PlanckPlanckPlanckPlanck）在一次物理学会议上公布在一次物理学会议上公布了一个公式了一个公式:上式中的上式中的 h h 就是著名的就是著名的普朗克常量普朗克常量，其曲线与实，其曲线与实验值完全吻合，而这一公式是普朗克根据实验数据猜验值完全吻合，而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。由此公式当出来的。由此公式当v-0v-0和和v-v-时分别都可得到与时分别都可得到与瑞瑞利利-金斯和维恩公式金斯和维恩公式相同的形式。相同的形式。结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第11页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 此公式虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论此公式虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论根据根据,就在普朗克公式公布当天，另一位物理学家就在普朗克公式公布当天，另一位物理学家鲁本鲁本鲁本鲁本斯斯斯斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核对，发现两者以惊人的精确性相符合。对，发现两者以惊人的精确性相符合。第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克,从而使从而使普朗克决心：普朗克决心：“不惜一切代价，找到一个理论解不惜一切代价，找到一个理论解释释。”结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第12页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 经过近二个月的努力，经过近二个月的努力，普朗克普朗克普朗克普朗克在同年在同年1212月月1414日的一次日的一次德国物理学会议上提出：德国物理学会议上提出：电子辐射能量的假设电子辐射能量的假设:这一概念严重偏离了经典物理；因此，这一假设提出后这一概念严重偏离了经典物理；因此，这一假设提出后的的5 5年时间内，没有引起人的注意，并且在这以后的十多年时间内，没有引起人的注意，并且在这以后的十多年时间里，普朗克很后悔当时的提法，在很多场合他还年时间里，普朗克很后悔当时的提法，在很多场合他还极力的掩饰这种不连续性是极力的掩饰这种不连续性是“假设量子论假设量子论”。E=nhvE=nhv（n=1,2,3,)?n=1,2,3,)?结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第13页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第14页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 早在早在18871887年年,德国物理学家德国物理学家赫兹赫兹第一个观察到第一个观察到用紫光照射的尖端放电特别容易发生，这实际用紫光照射的尖端放电特别容易发生，这实际上是光电效应导致的上是光电效应导致的.由于当时还没有电子的概由于当时还没有电子的概念念,所以对其机制不是很清楚所以对其机制不是很清楚.1 1对一定金属有一个临界频率对一定金属有一个临界频率v v0 0,当当0 0 时，无论光多弱，立即有光电子产生；时，无论光多弱，立即有光电子产生；3 3光电子能量只与照射光的频率有关。光强只影响光电子能量只与照射光的频率有关。光强只影响光电子的数目。光电子的数目。结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第16页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型19021902年，法国物理学家年，法国物理学家林纳（林纳（林纳（林纳（LenaralLenaralLenaralLenaral）发现，光发现，光电效应的实验规律不能用已有的波动说理论加以电效应的实验规律不能用已有的波动说理论加以解释解释,经典物理认为光是一种波动经典物理认为光是一种波动,其能量连续分其能量连续分布在波前上；布在波前上；当光照射在电子上时当光照射在电子上时,电子得到并不断积聚能量电子得到并不断积聚能量,当电子当电子积聚积聚的能量达到一定程度时，它就能脱离的能量达到一定程度时，它就能脱离原子核的束缚而逸出，但能量的积聚是需要时间原子核的束缚而逸出，但能量的积聚是需要时间的。的。结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第17页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型例如例如,用光强为用光强为 的光照到钠金属表面的光照到钠金属表面,根根据经典理论的推算据经典理论的推算,至少要至少要 秒（约合秒（约合120120多天）多天）的时间来积聚能量的时间来积聚能量,才会有光电子产生；事实上才会有光电子产生；事实上,只只要要0 0,就就立即立即有光电子产生有光电子产生,可见理论与实验可见理论与实验产生了严重的偏离产生了严重的偏离.此外，按照经典理论，决定电此外，按照经典理论，决定电子能量的是光强子能量的是光强,而不是频率而不是频率.但实验事实却是：但实验事实却是：暗淡暗淡的的蓝蓝光照出的电子能量居然比光照出的电子能量居然比强烈强烈的的红红光照出的电子能量大光照出的电子能量大.结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第18页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 19051905年年,爱因斯坦（爱因斯坦（爱因斯坦（爱因斯坦（EinsteinEinsteinEinsteinEinstein）发展了普朗克发展了普朗克（PlanckPlanck）的量子说，指出光以粒子的形式）的量子说，指出光以粒子的形式-光子光子存在和传播。一个光子的能量为存在和传播。一个光子的能量为E=hvE=hv，因此，光，因此，光电效应中能量满足关系式电效应中能量满足关系式:(4)(4)式表明：对于给定的金属式表明：对于给定的金属(给定给定)，T T 与与成线成线性关系。直线的斜率就是性关系。直线的斜率就是 h h,所以对不同的靶来说，所以对不同的靶来说，这条线的斜率是相同的。这条线的斜率是相同的。(4)(4)结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第19页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 19161916年，美国物理学家年，美国物理学家密立根密立根通过实验，证实通过实验，证实了了(4)(4)式的正确性式的正确性,并精确测定了普朗克常数并精确测定了普朗克常数h h；但他还是认为：但他还是认为：尽管爱因斯坦的公式是成功的尽管爱因斯坦的公式是成功的,但其但其物理理论物理理论完全站不住脚完全站不住脚.不仅如此，不仅如此，19131913年包括普朗克在内的德国最著名年包括普朗克在内的德国最著名的物理学家也都认为，爱因斯坦的光量子理论是的物理学家也都认为，爱因斯坦的光量子理论是他在思辩中他在思辩中 迷失了方向迷失了方向.结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第20页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 可见一个新的理论要被人们所接受是何等的困难。可见一个新的理论要被人们所接受是何等的困难。然而，历史很快作出了判断，然而，历史很快作出了判断，19221922年，爱因斯坦因年，爱因斯坦因光电效应获诺贝尔物理奖。光电效应获诺贝尔物理奖。结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第21页，本讲稿共27页习题习题2.1 铯的逸出功为铯的逸出功为1.9eV，试求：，试求：(1)铯的光电效应阈频率及阈值波长；铯的光电效应阈频率及阈值波长；(2)如果要得到能量为如果要得到能量为1.5eV的光电子，必须使用多少波长的光的光电子，必须使用多少波长的光照射照射?解答（解答（1）mv2/2=h-W 当当h=W时，时，为光电效应的最低为光电效应的最低频率（阈频率），即频率（阈频率），即 =W/h=1.91.610-19/6.62610-34=4.591014 hc/=w =hc/w=6.5410-7(m)(2)mv2/2=h-W 1.5=h-1.9 =3.4/h =c/=hc/3.4(m)=3.6510-7m第22页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 粒子粒子的大角度散射，肯定了原子核的存在，的大角度散射，肯定了原子核的存在，但核外电子的分布及运动情况仍然是个迷，而但核外电子的分布及运动情况仍然是个迷，而光谱是原子结构的反映，因此研究原子光谱是光谱是原子结构的反映，因此研究原子光谱是揭示这个迷的必由之路。揭示这个迷的必由之路。（1 1）电磁波谱）电磁波谱结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第23页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型（2 2）光谱的观测）光谱的观测光谱发出的光谱线可通过光谱议进行观测和记录，它光谱发出的光谱线可通过光谱议进行观测和记录，它既可把既可把射线按不同波长分析，又可记录不同光谱线的射线按不同波长分析，又可记录不同光谱线的强度。强度。结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第24页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型（3 3）光谱的分类不同的光源有不同的光谱，发）光谱的分类不同的光源有不同的光谱，发出机制也不尽相同，根据波长的变化情况，大致出机制也不尽相同，根据波长的变化情况，大致可分为可分为三类三类：线线光谱光谱：波长不连续变化，此种为原子光谱；：波长不连续变化，此种为原子光谱；带带光谱光谱：波长在各区域内连续变化，此为分子光：波长在各区域内连续变化，此为分子光谱；谱；连续谱连续谱：固体的高温辐射。：固体的高温辐射。结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第25页，本讲稿共27页第一节：背景知识第二章：原子的量子态：玻尔模型 光谱分析光谱分析是研究原子内部结构重要手段之一是研究原子内部结构重要手段之一,牛牛顿早在顿早在17041704年说过，年说过，若要了解物质内部情况若要了解物质内部情况,只只要看其光谱就可以了要看其光谱就可以了.光谱是用光谱仪测量的光谱是用光谱仪测量的,光谱光谱仪的种类繁多仪的种类繁多,基本结构几乎相同基本结构几乎相同,大致由光源、分光大致由光源、分光器和记录仪组成器和记录仪组成.上图是棱镜光谱仪的原理图上图是棱镜光谱仪的原理图.结束目录nextback 光 谱 黑体辐射 光电效应第26页，本讲稿共27页第二节：玻尔模型第二章：原子的量子态：玻尔模型 1913 1913年，年，卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福用用粒子散射实验粒子散射实验证实了核的存证实了核的存在，但是电子在核外的运动情形如何，却没有一个在，但是电子在核外的运动情形如何，却没有一个合理的模型，如果设想电子绕核运动，便无法解释合理的模型，如果设想电子绕核运动，便无法解释原子的线光谱和原子坍缩问题，经典理论在讨论原原子的线光谱和原子坍缩问题，经典理论在讨论原子结构时遇到了难以逾越的障碍。子结构时遇到了难以逾越的障碍。当时，年仅当时，年仅2828岁的岁的玻尔（玻尔（玻尔（玻尔（N.BohrN.BohrN.BohrN.Bohr）刚从丹麦的哥刚从丹麦的哥本哈根大学获博士学位，就来到卢瑟福实验室，本哈根大学获博士学位，就来到卢瑟福实验室，他认定原子结构不能由经典理论去找答案，正如他认定原子结构不能由经典理论去找答案，正如他自己后来说的：他自己后来说的：我一看到巴尔末公式，整个问我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就全部清楚了。题对我来说就全部清楚了。”结束目录nextback氢光谱的解释玻尔假设电子的运动第27页，本讲稿共27页